JP4794966B2 - 軸受装置、これを備えたモータ、及び軸受装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、滑り軸受を備えた軸受装置に関するものである。

滑り軸受（以下、単に「軸受」と称する）を備えた軸受装置は、軸受と軸部材との間の相対的な回転、摺動、もしくは摺動回転を支持する用途に広く用いられている。

このような軸受装置として、例えば特許文献１では、樹脂成形部の軸心に電鋳加工による電鋳部をインサートして型成形した軸受部品を備えた軸受装置が提案されている。このように、軸受面となる軸受の内周面を電鋳加工で形成することにより、耐摩耗性に優れた軸受面が得られるとともに、内周に挿入される軸部材との間に形成される軸受隙間を高い精度で設定することができる。
特開２００３−５６５５２号公報

上記のような軸受装置が、例えば、高速回転、高回転精度が求められるＨＤＤの磁気ディスク駆動用のスピンドルモータの回転軸支持等に用いられる場合は、軸受と軸部材との潤滑を良好にするため、油潤滑が必要となる場合がある。

しかし、軸受の内周面と軸部材の外周面との間の軸受隙間は、軸部材のがたつきを抑えるために、できるだけ微小な隙間幅に設定され、この軸受隙間に保持される潤滑油の量は極少量である。このため、潤滑油が飛散、蒸発などにより減少すると、潤滑油不足による潤滑不良を招き、異音の発生や、軸受と軸部材との接触摺動による部材の摩耗などの不具合が生じていた。

本発明の課題は、軸受と軸部材との潤滑が良好で、異音の発生や部材の摩耗を防ぎ、製品寿命の長い滑り軸受を備えた軸受装置を提供することである。

前記課題を解決するため、本発明の軸受装置は、マスター軸の外周面に析出形成され、内周に軸受面を有する電鋳部と、電鋳部を内周にインサートして成形された樹脂部と、電鋳部の内周に挿入された軸部材と、前記軸受面と前記軸部材の外周面との間に形成され、潤滑油で満たされた軸受隙間と、母材の内部に保持した油を軸受隙間に供給する環状の補油部材とを備え、前記軸受面が、マスター軸の表面に析出し始めた面からなり、マスター軸、マスター軸の外周面に析出形成した電鋳部、及びマスター軸の外周に配置した補油部材をインサート部品として樹脂で射出成形することにより、電鋳部及び補油部材を内周に保持する樹脂部を成形したことを特徴とする。

このように本発明の軸受装置は、軸受隙間に油を供給する補油部材を有する。これにより、補油部材に保持された油が軸受隙間に供給されるため、軸受隙間に形成された油膜によって軸受装置がスムーズに作動し、潤滑不良による異音の発生や、軸受と軸部材との接触摺動による摩耗を回避できる。また、補油部材から油を供給させることで、毛細管現象により極微量ずつ給油することができるため、長期間に渡り適度な油膜を軸受隙間に形成することができる。

補油部材を軸部材と接した位置に設けると、軸受隙間に油を供給しやすくなり、よりスムーズな潤滑が得られる。一方、補油部材を軸部材と非接触の位置に設け、連通孔を介して軸受隙間に油を供給すると、補油部材により軸受面の面積が侵食されることがなく、軸受性能の低下を回避できる。

上記のような軸受装置と、ロータマグネットと、ステータコイルとを備えたモータは円滑に作動するため、異音の発生がなく、製品寿命が長い。

以上のように、本発明の軸受装置は、軸受と軸部材との潤滑が良好なため、異音の発生や部材の摩耗を防止でき、高速回転化や製品寿命の延長を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る軸受装置１の断面図である。軸受装置１は、軸受３と、軸受３の内周に挿入された軸部材２と、補油部材６とで構成される。軸受３は、電鋳加工で形成される電鋳部４と、電鋳部４を内周に保持する樹脂部５とを備える。

以下、軸受３の製造工程を説明する。軸受３は、マスター軸７の所要個所にマスキングした上、非マスク部に電鋳加工等を行って電鋳軸９を形成する工程（図２、図３参照）、電鋳軸９の電鋳部４を樹脂で射出成形する工程（図４参照）、及び電鋳部４をマスター軸７から剥離し、軸受３とマスター軸７とを分離する工程を経て製作される。

なお、以下の説明において、「回転用の軸受」とは、軸部材との間の相対回転を支持する軸受を意味し、軸受が回転側となるか固定側となるかを問わない。「摺動用の軸受」とは、軸との間の相対的な直線運動を支持する軸受を意味し、同様に軸受が移動側となるか固定側となるかを問わない。「回転摺動用の軸受」とは、前記二つの軸受の機能を併せ持つもので、軸との間の回転運動及び直線運動の双方を支持する軸受を意味する。また、「揺動用の軸受」とは、例えばボールジョイントのように、軸の三次元方向の運動が許容される軸受を意味する。

マスター軸７は、導電性材料、例えば焼入処理をしたステンレス鋼で、ストレートな横断面円形の軸として製作される。もちろんステンレス鋼に限定されるものでなく、剛性などの機械的強度、摺動性、耐熱性、耐薬品性、電鋳部４の加工性及び剥離性など、軸受の機能上あるいは軸受製作の都合上求められる特性に適合した材料、さらには熱処理方法が選択される。セラミック等の非金属材料でも、導電処理を施すことにより（例えば表面に導電性の金属皮膜を形成することにより）使用可能となる。なお、マスター軸７の表面には、電鋳部４との間の摩擦力を減じるための表面処理、例えばフッ素系の樹脂コーティングを施すのが望ましい。

マスター軸７は、中実軸の他、中空軸や中空部に樹脂を充填した中実軸であっても良い。また、回転用の軸受では、マスター軸の横断面は基本的に円形に形成されるが、摺動用の軸受の場合は横断面を任意形状にすることができ、円形のほかに多角形状や非真円形状とすることもできる。また、摺動用の軸受では、基本的にマスター軸７の横断面形状は軸方向で一定であるが、回転用の軸受や回転摺動用の軸受では、軸の全長にわたって一定の横断面形状ではない形態をとることもある。

マスター軸７の外周面精度は、後述する軸受隙間の精度を直接左右するので、真円度、円筒度、表面粗さ等の軸受機能上重要となる表面精度を、予め高精度に仕上げておく必要がある。例えば回転用の軸受では、軸受面との接触回避の観点から真円度が重視されるので、マスター軸７の外周面はできるだけ真円度を高める必要がある。例えば、後述する軸受隙間の平均幅（半径寸法）の８割以下にまで仕上げておくのが望ましい。従って、例えば軸受隙間の平均幅を２μｍに設定する場合、マスター軸外周面は１．６μｍ以下の真円度に仕上げるのが望ましい。

マスター軸７の外周面には、電鋳部４の形成予定部を除き、マスキングが施される（図２に散点で示す）。マスキング用の被覆材８としては、非導電性、及び電解質溶液に対する耐食性を有する既存品が選択使用される。

電鋳加工は、ＮｉやＣｕ等の金属イオンを含んだ電解質溶液にマスター軸７を浸漬し、電解質溶液に通電して目的の金属をマスター軸７の表面に析出させることにより行われる。電解質溶液には、カーボンなどの摺動材、あるいはサッカリン等の応力緩和材を必要に応じて含有させてもよい。電着金属の種類は、軸受の軸受面に求められる硬度や耐摩耗性、疲れ強さ等の物理的性質、化学的性質に応じて適宜選択される。電鋳部４の厚みは、これが厚すぎるとマスター軸７からの剥離性が低下し、薄すぎると軸受面の耐久性低下等につながるので、求められる軸受性能や軸受サイズ、さらには用途等に応じて最適な厚みに設定される。例えば軸径１ｍｍ〜６ｍｍの回転用の軸受では、１０μｍ〜２００μｍの厚さとするのが好ましい。

以上の工程を経ることにより、図２に示すように、マスター軸７外周に円筒状の電鋳部４が形成される。なお、マスキング用の被覆材８が薄い場合、電鋳部４の両端は被覆材８側に迫り出し、内周面にテーパ状の面取り部が形成される場合がある。この面取り部を利用して、電鋳部の樹脂部からの抜け落ちを防止するフランジ部を形成することもできる。本実施形態では、面取り部が形成されない場合を例示する。

その後、図３に示すように、マスター軸７の外周面に補油部材６を電鋳部４と軸方向に隣接して配置する。補油部材６の材料として、例えば、焼結金属等の多孔質金属に潤滑油を含浸させた含油金属が使用できる。この他、多孔質樹脂に潤滑油を含浸させた含油樹脂、潤滑成分を樹脂中に分散保持した含油樹脂、含油した多孔質粒子を配合した含油樹脂、あるいは、フェルトなどの繊維材料に潤滑油を含浸させた含油繊維なども補油部材として使用できる。なお、樹脂で補油部材６を形成する場合は、後の射出成形時に射出される高温の樹脂材料によって溶融しないように、射出される樹脂材料よりも高い融点を有する必要がある。また、補油部材６に、潤滑油を含浸させる必要のある材料（多孔質金属、多孔質樹脂、繊維材料等）を使用する場合、後述の軸受装置１の軸受隙間に潤滑油を充填するときに、同時に補油部材６に潤滑油を含浸させることもできる。

補油部材６の形状や配置する場所、配置する数は、上記に限られない。例えば、補油部材６の断面形状は、図１に示すような矩形の他、半円状や台形状など適宜の形状に形成することができる。また、図３では、補油部材６は軸受３の一端部に配置されているが、複数箇所に配置してもよく、例えば、軸受３の両端部に設けることができる。あるいは、電鋳部４を軸方向に離隔した複数箇所に形成し、その電鋳部の間に補油部材６を配置することもできる。また、補油部材６と電鋳部４とを軸方向に離隔して配置することもできる。

以上により、マスター軸７の外周面に電鋳部４と補油部材６が設置された電鋳軸９が形成される。電鋳軸９は、図４に示す射出成形工程に移送され、電鋳部４、補油部材６、及びマスター軸７をインサート部品とするインサート成形が行われる。

図４は、樹脂部５のインサート成形工程を概念的に示すもので、可動型１０、およ固定動型１１からなる金型には、ランナ１２およびゲート１３と、キャビティ１４とが設けられる。ゲート１３は、この実施形態では、点状ゲートであり、成形金型（固定型１１）の、樹脂部５の軸方向一端面に対応する位置に、かつ円周方向等間隔に複数箇所（例えば三箇所）形成される。各ゲート１３のゲート面積は、充填する溶融樹脂の粘度や、成形品の
形状に合わせて適切な値に設定される。

上記構成の金型において、電鋳軸９を所定位置に位置決めした状態で可動型１０を固定型１１に接近させて型締めする。次に、型締めした状態で、スプール（図示は省略）、ランナ１２、およびゲート１３を介してキャビティ１４内に溶融樹脂Ｐを射出、充填し、樹脂部５を電鋳軸９と一体に成形する。

なお、溶融樹脂Ｐは熱可塑性樹脂であり、非晶性樹脂として、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等、結晶性樹脂として、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等を用いることができる。また、上記の樹脂に充填する充填材の種類も特に限定されないが、例えば、充填材として、ガラス繊維等の繊維状充填材、チタン酸カリウム等のウィスカー状充填材、マイカ等の鱗片状充填材、カーボンファイバー、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノマテリアル、金属粉末等の繊維状又は粉末状の導電性充填材を用いることができる。これらの充填材は、単独で用い、あるいは、二種以上を混合して使用しても良い。

型開き後、マスター軸７、電鋳部４、補油部材６、および樹脂部５が一体となった成形品を金型から脱型する。この成形品は、その後の剥離工程において電鋳部４、樹脂部５、及び補油部材６からなる軸受３（図１を参照）と、マスター軸７とに分離される。

この剥離工程では、電鋳部４に蓄積された内部応力を解放することにより、電鋳部４の内周面４ａを拡径させ、マスター軸７の外周面から剥離させる。内部応力の解放は、マスター軸７又は軸受３に衝撃を与えることにより、あるいは電鋳部４の内周面４ａとマスター軸７の外周面との間に軸方向の加圧力を付与することにより行われる。内部応力の解放により、電鋳部４の内周面を半径方向に拡径させて、電鋳部４の内周面４ａとマスター軸７の外周面との間に適当な大きさの隙間を形成することにより、電鋳部４の内周面４ａからマスター軸７を軸方向にスムーズに引き抜くことができ、これにより成形品を、電鋳部４、樹脂部５、及び補油部材６からなる軸受３と、マスター軸７とに分離される。なお、電鋳部４の拡径量は、例えば電鋳部４の肉厚や電解質溶液の組成、電鋳条件を変えることによって制御できる。

衝撃の付与だけでは電鋳部４の内周を十分に拡径さえることができない場合、電鋳部４とマスター軸７とを加熱又は冷却し、両者間に熱膨張量差を生じさせることによって、マスター軸７と軸受３とを分離することもできる。

その後、軸受３に軸部材２を挿入し、軸受３の内周面と軸部材２の外周面との間の軸受隙間に潤滑油を充填することで、図１に示す軸受装置１が完成する。

本実施形態では、図１のように、軸受３の内周面３ａが、電鋳部４の内周面４ａと樹脂部５の小径内周面５ａとで形成され、電鋳部４の内周面４ａが軸受面として作用する。射出成形後の固化時に、樹脂部５の小径内周面５ａが成形収縮により拡径するよう樹脂材料の組成や成形条件等を配慮することにより、マスター軸７の外周面との間に微小隙間を形成することができる。これにより、樹脂部５とマスター軸７とを容易に分離することが可能となる。微小隙間の幅が適切であれば、図１に示す軸受装置１において、樹脂部５の小径内周面５ａと軸部材２の外周面２ａとの間の微小隙間を毛細管シールとして機能させることができ、軸受隙間からの潤滑油の流出防止に有効となる。この他、マスター軸７の分離後、機械加工等で小径内周面５ａを形成しても良い。

このように毛細管シールは、樹脂部５の小径内周面５ａを拡径させる他、小径内周面５ａに対向する軸部材２の外周面２ａに小径外周面（図示省略）を形成することで構成することもできる。また、毛細管シールを、軸受隙間側ほど隙間幅を徐々に縮径させたテーパシールとすれば、より有効な潤滑油の流出防止が可能となる。

軸部材２として、マスター軸７を使用する場合、電鋳部４とマスター軸７との剥離工程でできた、電鋳部４の内周面４ａとマスター軸７の外周面との間の微小隙間は軸受隙間として機能する。この軸受隙間は、電鋳加工の特性から、クリアランスが極めて小さく、かつ高精度であるという特徴を有するため、高い回転精度または摺動性を有する軸受の提供が可能となる。なお、軸部材２としてマスター軸７を使用する必要は必ずしもなく、マスター軸７と同程度の精度で別途製作した軸部材と置き換えて軸受を構成することもできる。この場合、一度マスター軸７を製作すれば、これを繰返し転用することができるので、マスター軸７の製作コストを抑え、軸受装置１のさらなる低コスト化を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、電鋳部４、樹脂部５、及び補油部材６を一体成形する場合を例示したが、参考例として、例えば樹脂部５に凹部を形成し、その凹部に補油部材６を固定することもできる。樹脂部５の凹部は、例えば射出成形時の金型の形状により形成したり、あるいは、射出成形後に旋削等の機械加工により樹脂部５の一部を除去することにより形成することができる。

軸受装置１の作動（回転、摺動、回転摺動、又は揺動）時には、補油部材６から供給された油が電鋳部４の内周面４ａと軸部材２の外周面２ａとの間に油膜を形成することにより、油不足による潤滑不良による異音の発生や、軸部材２と軸受３との接触摺動による摩耗が回避され、製品寿命が延長される。また、補油部材に油を保持させることにより、油溜まり等の空間から給油するよりも微量ずつ油を供給することができるため、長期間に渡り適度な油膜を軸受隙間に形成することができる。

本発明は、上記実施形態に限られない。上記実施形態では、補油部材６が軸部材２と接触した場合を例示しているが、例えば、図５に示す本発明の第２の実施形態に係る軸受装置２１のように、補油部材６を軸部材２と非接触となる位置に配置し、電鋳部４を貫通する連通孔１７を介して軸受隙間に油を供給することもできる。軸受装置２１は、カップ状に形成された軸受３の内周面及び内底面に電鋳部４が形成され、軸受３の内周に軸部材２が挿入される。電鋳部４の内底面４ｃと軸部材２の凸球面部２ｂの先端との間には、軸部材２をスラスト方向に接触支持するスラスト軸受部Ｔが形成される。補油部材６は、例えば図５に示すように、電鋳部４の外径面に接する位置に配置することができる。この他、補油部材６を電鋳部４の底部の下端面４ｄに接する位置に設けてもよい。あるいは、補油部材６を電鋳部４と径方向に離隔した樹脂部５の内部に配置し、連通孔１７を通して軸受隙間と連通させることもできる。

図６に示す本発明の第３の実施形態に係る軸受装置３１は、カップ状の軸受３の側部１５と底部１６とが別体に形成される。側部１７は、樹脂の射出成形により形成され、大径内周面５ｂ及び小径内周面を有する。樹脂部５の大径内周面５ｂに補油部材６が配置される。底部１６は、例えば金属材料で形成され、接着、高周波溶着、超音波溶着などの方法で、側部１５に固定される。軸部材２の凸球面部２ｂの先端と底部１６の上端面１６ａとの間には、軸部材２をスラスト方向に接触支持するスラスト軸受部Ｔが形成される。この場合、図６のように側部１５側に補油部材６を設ける他、底部１６に補油部材６を設けることもできる。

以上で示した軸受は、電鋳部４の内周面４ａと軸部材２の外周面２ａとの間の軸受隙間
に、流体の動圧作用で圧力を発生させる動圧軸受として使用することも可能である。この動圧軸受は、例えば軸部材２の外周面２ａに、ヘリングボーン形状等に形成した動圧溝、多円弧面、あるいはステップ面等の動圧発生部を形成し、この動圧発生部を電鋳部４の真円状内周面４ａと対向させることで構成することができる。これとは逆に、電鋳部４の内周面４ａに動圧発生部を形成することもでき、この場合、電鋳部内周面４ａの動圧発生部は、マスター軸７の外周面に動圧発生部の形状に対応した型を形成して電鋳加工を行うことで形成可能である。その後、同様の手順で軸受３とマスター軸７の分離を行い、さらに軸受３の内周に真円状の外周面を有する軸部材２を挿入することで、動圧軸受が構成される。

また、軸受装置のスラスト軸受部にも動圧軸受を採用することができる。この場合、下端面を有する軸部材２を使用し、例えば軸部材２の下端面にスパイラル形状に形成した動圧溝やステップ面等の動圧発生部を形成し、この動圧発生部を軸部材２の下端面と対向する面、例えば電鋳部４の内底面４ｃと対向させることでスラスト軸受部を構成することができる。これとは逆に、電鋳部４の内底面４ｃに動圧発生部を形成することもできる。

以上説明した軸受装置は、例えば情報機器用のモータに組み込んで使用可能である。以下、軸受装置１を上記モータ用の回転軸支持装置として使用した例を、図７に基づいて説明する。

図７に示すように、このモータ１００は、例えばＨＤＤ等のディスク駆動装置用のスピンドルモータとして使用されるものであって、軸部材２を回転自在に非接触支持する軸受装置１と、軸部材２に装着されたロータ（ディスクハブ）１０３と、例えば半径方向のギャップを介して対向させたステータコイル１０４およびロータマグネット１０５とを備えている。ステータコイル１０４は、ブラケット１０６の外周に取付けられ、ロータマグネット１０５はディスクハブ１０３の内周に取付けられている。ディスクハブ１０３には、磁気ディスク等のディスクＤが一又は複数枚保持されている。ステータコイル１０４に通電すると、ステータコイル１０４とロータマグネット１０５との間の電磁力でロータマグネット１０５が回転し、それによって、ディスクハブ１０３及びディスクハブ１０３に保持されたディスクＤが軸部材２と一体に回転する。

この実施形態において、軸受装置１は、軸受３と、軸受３の内周に挿入される軸部材２と、軸受３の一端に装着されるスラストプレート１０７とを備える。図７では、軸受装置として図１に示す軸受装置１を例示しているが、図５、図６に示す軸受装置２１、３１も使用可能である。スラストプレート１０７の上端面には、スラスト動圧発生部として、複数の動圧溝をスパイラル状に配列した領域（スラスト軸受面）１０７ａが形成される。軸部材２の回転時には、軸部材２の外周面２ａと軸受３のラジアル軸受面となる電鋳部４の内周面４ａとのラジアル軸受隙間に油膜が形成され、これにより軸部材２をラジアル方向に回転自在に非接触支持するラジアル軸受部Ｒが形成される。同時に、軸部材２の下端面２ｂとスラストプレート１０７の上端面１０７ａとの間のスラスト軸受隙間に、動圧溝による潤滑油の動圧作用で軸部材２をスラスト方向に回転自在に非接触支持するスラスト軸受部Ｔが形成される。

本発明の軸受装置は、以上の例示に限らず、光ディスクの光磁気ディスク駆動用のスピンドルモータ等、高速回転下で使用される情報機器用の小型モータ、あるいはレーザビームプリンタのポリゴンスキャナモータ等における回転軸支持用としても好適に使用することができる。また、長寿命が要求されるファンモータなどにも適用できる。

以上の説明では、軸受３を回転用の軸受に使用する場合を例示しているが、この他にも軸受３は、摺動用の軸受や、回転摺動用の軸受、あるいは揺動用の軸受の何れにも適用す
ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る軸受装置１の断面図である。 マスター軸７に電鋳部４を形成した状態を示す斜視図である。 電鋳軸９の斜視図である。 射出成形金型に電鋳軸９を取付けた状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る軸受装置２１の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る軸受装置３１の断面図である。 本発明を適用したモータ１００の概略構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 軸受装置
２ 軸部材
３ 軸受
４ 電鋳部
５ 樹脂部
６ 補油部材
７ マスター軸
８ 被覆材
９ 電鋳軸
１７ 連通孔
１００ モータ
Ｒ ラジアル軸受部
Ｔ スラスト軸受部

Claims (5)

1. マスター軸の外周面に析出形成され、内周に軸受面を有する電鋳部と、電鋳部を内周にインサートして成形された樹脂部と、電鋳部の内周に挿入された軸部材と、前記軸受面と前記軸部材の外周面との間に形成され、潤滑油で満たされた軸受隙間と、母材の内部に保持した油を軸受隙間に供給する環状の補油部材とを備え、前記軸受面が、マスター軸の表面に析出し始めた面からなる軸受装置であって、
   マスター軸、マスター軸の外周面に析出形成した電鋳部、及びマスター軸の外周に配置した補油部材をインサート部品として樹脂で射出成形することにより、電鋳部及び補油部材を内周に保持する樹脂部を成形したことを特徴とする軸受装置。
2. 前記補油部材が、前記軸部材に接触している請求項１記載の軸受装置。
3. 前記補油部材が、前記軸部材と非接触であり、連通孔を介して軸受隙間に油を供給する請求項１記載の軸受装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の軸受装置と、ロータマグネットと、ステータコイルとを備えたモータ。
5. マスター軸の外周面に電鋳部を析出形成するステップと、マスター軸の外周に、母材の内部に油を保持可能な環状の補油部材を配置するステップと、マスター軸、電鋳部、及び補油部材からなる電鋳軸をインサート部品として樹脂で射出成形することにより、電鋳部及び補油部材を内周に保持した樹脂部を成形するステップと、電鋳部とマスター軸とを剥離し、電鋳部、補油部材、及び樹脂部からなる軸受からマスター軸を分離するステップと、前記軸受の内周に軸部材を挿入し、電鋳部の内周面と軸部材の外周面との間の軸受隙間に潤滑油を充填するステップとを順に経て行う軸受装置の製造方法。

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